낮은 주파수 변조지수의 동기PWM을 이용한 영구자석 전동기 구동

Abstract

교류 전동기는 유지 및 보수비용이 많이 드는 직류 전동기의 정류자와 브러쉬를 제거할 수 있지만, 전동기 구동을 위해서는 교류전압이 필요하다는 단점을 가진다. 하지만 반도체 소자 및 마이크로프로세서의 비약적인 발전으로 교류 전압의 합성이 용이해져, 벡터제어 기법을 이용한 교류 전동기 제어방식이 널리 사용되기 시작했다. 최근, 설치형 가전뿐만 아니라 휴대용기기나 자동차 분야까지 확장되고 있다. 특히, 이동이 요구되는 분야에서 교류전동기를 사용할 경우 무게와 부피 최소화가 필수적이기 때문에 고속전동기가 주로 사용된다. 고속전동기는 높은 운전속도로 인해 수kHz이상의 높은 출력 주파수를 필요로 하기도한다. 하지만, 반도체 소자의 제한된 스위칭 주파수 조건 때문에 합성전압의 기본파 주파수를 증가시키는데 한계가 존재한다. 일반적으로 사용되는 고정 스위칭 주파수를 가지는 Space Vector PWM(SVPWM)방법은 출력전압 기본파 주파수 대비 스위칭 주파수 비율, 즉 주파수 합성비율이 충분히 높지 못할 경우 기본파 주파수 성분 이외의 고조파 성분의 크기가 상대적으로 커진다. 따라서 제한된 스위칭 주파수 조건에서 높은 주파수의 기본파 전압을 합성하기 위해서는 새로운 전압합성 방식이 필요하다. 대용량 시스템에서도 필요한 기본파 주파수의 크기는 상대적으로 작지만 스위칭 주파수가 수백 Hz로 제한되기 때문에 고속전동기 구동시스템과 동일한 문제에 봉착하게 된다. 이를 해결하기 위해 대용량 시스템에서는 최적 PWM을 이용한 궤적추적 방식과 동기 PWM 방법이 제안되었다. 하지만 이 방식은 기본적으로 정상상태 운전조건을 기준으로 최적의 스위칭 인가시간을 계산하기 때문에, 제어 동특성이 나쁘고, 방대한 양의 오프라인 계산과 디지털 제어기 내에 많은 데이터 저장공간이 필요하다. 동기 PWM 방법이 제안되기도 하였지만, 유도 전동기의 V/F 제어등과 같이 개루프(open loop) 제어에만 제한적으로 사용되었다. 따라서 본 논문은 동기 PWM방법을 폐루프(closed loop)제어방식에 적용하여 six-step운전을 포함한 모든 속도영역에서 사용 가능한 영구자석 동기전동기 구동전략을 제안한다. 전압벡터 인가 방향에 따른 일반화된 평균 전압크기 수식을 유도하였으며, 이를 바탕으로 샘플링 주기 단위로 전압을 합성하는 방법을 제안한다. 출력 기본파 주파수에 비해 낮은 스위칭 주파수를 가지는 동기 PWM방법을 전동기 구동에 적용하고자 가변 샘플링 방식을 사용하였으며, 매번 변화하는 샘플링 주기로 인해 발생하는 전압오차를 분석하고 이를 보상하기 위한 방법을 제안하였다. 샘플링 횟수와 전압 합성전략에 따른 출력전압의 고조파 분석을 실시하였다. 이를 바탕으로 단위 섹터당 서로 다른 샘플링 횟수를 가지는 전압 합성방법들 간의 절환전략을 제안하고, 고정 샘플링 시스템에서 가변 샘플링 시스템으로의 전환 알고리즘을 제안하였다. 또한 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM방법은 약자속운전 영역에서 six-step 운전에도 적용할 수 있음을 보였다. 모의실험 및 실험을 통해 제안된 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM방법은 고정 샘플링을 이용한 전압 합성방법에 비해 낮은 주파수 합성비율 조건에서도 출력전류 및 토크맥동을 크게 저감 할 수 있음을 보였다. 제안된 가변 샘플링을 이용한 동기 PWM방법은 일반화된 수식을 통해 전압합성을 위한 지령값을 쉽게 구할 수 있어 필요한 오프라인 계산이 최소화되고 참조표를 사용하지 않기때문에 간단히 구현할 수 있다. 따라서 데이터 저장과 계산량에 대한 부담이 적기 때문에 최적 PWM을 이용한 궤적추정 방식에 비해 손쉽게 적용할 수 있는 방법이다. 특히 이 방법은 약자속 운전영역에서 six-step운전시, 고정 샘플링의 전압합성을 이용한 전동기 제어방법에 비해 정상상태 성능 및 과도상태 성능이 뛰어나다는 장점을 가진다.